2FSK水下通信仿真与硬件实现

杨钰莹 厉夫兵 孙郑平

摘  要：水声通信系统用于在水下环境中完成信息的传输。为了实现水下数据传输，文章设计一款2FSK水下通信系统，通过Simulink对该系统进行仿真，利用STM32搭建了基于2FSK的水下通信实验硬件平台，发送端STM32控制DDS模块生成2FSK信号，接收端电路完成2FSK信号的非相干解调。在水池中进行了短距离的数据传输实验，实验结果表明，该通信系统能够实现数据的发射、传输、接收与恢复，具有易于嵌入、功耗低的特点，实验验证了该系统的可行性，能够实现水下数据传输任务。

关键词：水下通信实验系统;二进制频移键控;STM32;Simulink

中图分类号：TP391.9      文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）05-0071-05

2FSK Underwater Communication Simulation and Hardware Implementation

YANG Yuying， LI Fubing， SUN Zhengping

（School of Information and Communication Engineering， Beijing Information Science and Technology University， Beijing  100101， China）

Abstract： Underwater acoustic communication system is used to complete information transmission in underwater environment. In order to realize underwater data transmission， this paper designs a 2FSK underwater communication system， simulates the system through Simulink， and uses STM32 to build a 2FSK-based underwater communication experiment hardware platform. The transmitter STM32 controls the DDS module to generate 2FSK signal， and the receiver circuit completes the incoherent demodulation of 2FSK signal. A short-distance data transmission experiment is carried out in water tank， the experimental results show that the communication system can realize data transmission， reception and recovery， and has the characteristics of easy embedding and low power consumption. The experiment verifies the feasibility of the system and can realize the task of underwater data transmission.

Keywords： underwater communication experimental system; binary system frequency shift keying; STM32; Simulink

0  引  言

随着我国海洋探索領域的逐渐扩大，实时获取深海监测数据并完成数据的传输在海洋资源探测、开采和生产中具有重要意义[1]，为此建设深海观测网络的需求不断增加。水声通信系统是以声波作为信息载体的一种水下无线通信设备[2]，由于声波在水体中是以机械波的形式向外传播，与电磁波相比，声波拥有在水中传播时能量衰减小、传播距离远等特点。利用水声通信可实现海洋水下数据的收集与传输，因此设计出一款能在海洋设备中使用的小型水声通信设备具有重要意义。本文设计了一种水声通信系统，阐述了该系统的组成以及通信功能的实现过程。文献[3]利用STM32实现了基于2FSK的水声通信系统，并在50 m的水槽中完成了对数据的传输。文献[4]设计了基于2ASK的硬件电路，通过FPGA产生伪随机序列来控制2ASK信号的生成，解调采用包络检波法，该硬件电路可以正常通信。文献[5]设计了基于STM32和FPGA的水声通信系统，对语音信号进行2FSK和传输，解调采用包络检波法，实现了水下传输数据的功能。上述文献中采用的都是包络检波法并且是短距离传输，本文提出的水下通信系统是短距离传输，因此利用STM32搭建了基于2FSK的水下通信实验系统。文章首先介绍了2FSK调制解调的原理，对基于2FSK调制解调的通信系统进行了Simulink仿真，并搭建了基于STM32的水下通信实验系统，在水池中完成了对信号的传输，最后对实验结果进行了分析比较。

1  2FSK调制解调原理

1.1  调制原理

频移键控调制是只改变载波的频率，对幅度和相位没有影响，基带数字信息是依赖载波频率的变化而进行传递的[6]。FSK用于传输二进制码元时，二进制码元“0”和“1”控制载波的频率，使输出信号在频率f1和f2之间变化[7]，因此称为2FSK，其表达式为：

（1）

2FSK信号又称为二进制频移键控，它有两种实现方式：一种是数字键控法;另一种是模拟调频法[8]。本文采用数字键控法，原理是利用高低电平“1”和“0”来控制电子开关（高电平时打开频率振荡器1，低电平时打开频率振荡器2），输出频率交替改变的调制信号[9]。调制原理图如图1前半部分所示。

1.2  解调原理

2FSK的解调分为相干解调和非相干解调，相干解调需要在接收端提取与发送端频率、相位均相同的载波信号，因此如果采用相干解调，所提取载波信号的好坏会影响到对2FSK信号的解调[10]。由于水声信道中存在多径效应和噪声[11]，在接收端恢复与发送端一样的载波比较困难，因此本文采用非相干解调中的包络检波法，原理如图1中后半部分所示，2FSK信号会被分成如右虚线框中所示的两路信号，两路信号同时进入带通滤波器（Band-pass filter， BPF）BPF1和BPF2，再经过整流滤波，进入对应的低通滤波器（Low-Pass Filter， LPF）LPF1和LPF2，滤出载频f1、f2，最后经比较器判决，解调出二进制信号。

2  Simulink仿真模型

调制部分如图2左虚线框中所示，二进制信号由仿真模型中的Bernoulli Binary模块生成，幅值为1，Sine Wave1产生正弦载波信号，载波频率f1=200 kHz，Sine Wave2产生正弦载波信号，载波频率f2=100 kHz，幅值为1，Sum1模块输出2FSK信号r（t）。解调部分如图2右虚线框中所示，信号经过噪声方差为2的高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise， AWGN）信道以后，被分成两路信号同时由带通滤波器Analog Filter Design1和带通滤波器Analog Filter Design2滤除掉高频和低频的干扰信号（Analog Filter Design1滤波频率区间是130 kHz～260 kHz，Analog Filter Design1滤波频率区间是50 kHz～150 kHz），然后再同时经过全波整流模块（整流模块的作用是把经过带通滤波后信号的下半部分翻到上半部分），通过全波整流器的信号同时进入低通滤波器Analog Filter Design3和低通滤波器Analog Filter Design4，对经过低通滤波器输出的两路信号进行比较、脉冲抽样和判决，Quantizing Encoder1模块输出解调二进制信号。图2是仿真模型与调制解调过程对应的波形。

调制部分的波形如图3所示，图中横坐标表示时间，纵坐标表示幅值。图3（a）是发送的二进制信号，对应码元为1011100001，图3（b）是Sum1模块输出的2FSK信号，发送“1”时，输出载波频率f2=200 kHz，发送“0”时，输出载波频率f2=100 kHz。

解调过程的波形图如图4、图5、图6、图7所示，图中横坐标表示时间，纵坐标表示幅值。2FSK信号通过高斯白噪声信道以后，分两路经过频率区间为130 kHz～ 260 kHz和50 kHz～150 kHz的带通滤波器，图4（a）为经过带通滤波器130 kHz～260 kHz的信号波形，图4（b）为经过带通滤波器50 kHz～150 kHz的信号波形。然后对信号进行整流，由图5可以看出，整流以后信号下半部分的波形折叠到了上半部分，变为正的波形。整流以后的信号再经过低通滤波器，如图6所示，可以看出波形的大致包络。最后对信号进行脉冲抽样和判决，如图7所示输出解调二进制信号。

由仿真结果可知，对发射数据进行2FSK调制并对接收数据进行包络检波解调的通信系统是可行的，能够实现数据的正确传输，在实验中得到了验证。

3  实验通信系统设计与实现

本实验通信系统功能框图如图8所示，由发送端、水声信道和接收端构成。在发送端，控制器STM32通过SPI通信方式控制直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer， DDS）模块生成2FSK信号，STM32引脚为高电平时，DDS模块输出200 kHz的正弦波，STM32引腳为低电平时，DDS模块输出100 kHz的正弦波。将2FSK信号先后经过功率放大器和变压器进行两级放大，得到峰峰值100 V左右的输出信号驱动发射换能器。在接收端，接收换能器将声信号转换为电信号[12]，再利用包络检波法对电信号进行解调，获取发送数据。

3.1  发送端硬件模块

发送端用于生成和发送2FSK信号，包括DDS模块、放大模块两部分。

DDS模块是由AD9959芯片以及外围电路组成的，完成对信号的2FSK调制。DDS模块电路主要是由AD9959芯片外围电路、低通滤波电路组成，工作原理如图9所示，在频率控制字寄存器中输入频率控制字，相位累加器由相位寄存器组和加法器构成，每个时钟脉冲进行累加，同时将累加的结果存入相位寄存器组中，然后将寄存在相位累加器中的值与输入的相位偏差值再进行累加，其结果以二进制码的形式去正弦查询表寻址，输出的数字正弦信号经过DAC转换器输出正弦信号。

放大电路模块是对DDS模块输出的2FSK信号进行放大，以AD811作为主控芯片，后级连接高速放大器BUF634起到缓冲的作用，可以提高模块的带负载能力。AD811芯片接入BUF634的数量越多放大能力越强，最多接入四个BUF634。BUF634位于AD811反馈回路中，目的是提高AD811的输出电流，实现功率放大的效果，整个模块的放大倍数如式（2）所示，A是放大倍数。

（2）

模块R7和R6的值分别为1.8 kΩ和120 Ω，因此模块放大倍数的理论值为16倍。经过BUF634模块的2FSK信号，电压较小，不能用来驱动发射换能器，因此还需要经过变压器的放大，系统选用的变压器线圈匝数比为16：210。

3.2  接收端硬件模块

接收端对信号进行包络检波解调，包括带通滤波、二极管整流和比较器判决输出三个部分。由于2FSK信号的解调需要两路带通滤波、整流电路以及比较判决，因此在接收端设计了对2FSK信号包络检波解调电路，如图10所示。

带通滤波由AD8052芯片和电容电阻器件组成。接收到的信号首先经过S9018的放大，再通过AD8052组成的放大滤波电路，根据式（3）选择滤波电路的电容和电阻，其中fc是带通滤波器的中心频率。电路原理图中上路对应100 kHz的带通滤波电路，下路对应200 kHz的带通滤波电路。

上路中电容c=100 pF，对应C17、C20、C18、C15，Req对应R18和R23的并联电阻值、R19和R25的并联电阻值，R18、R19、R23、R25电阻是7.5 kΩ，R对应R20和R22，电阻值是62 kΩ，中心频率大约是101 kHz，带宽大约是48 kHz。下路中电容C2、C3、C4、C6是100 pF，Req对应R2和R7的并联电阻值、R3和R8的并联电阻值，R2、R7、R3、R8电阻是3.6 kΩ，R对应R4和R5，电阻值是33 kΩ，中心频率大约是206 kHz，带宽大约是96 kHz。

（3）

整流部分上下两路皆采用两个1N4148二极管，我们需要对信号进行全波整流，因此每一路需要两个二极管来保证信号的上半部分和下半部分都可以通过，这样才能得到完整的包络。电压比较器采用的芯片TLV3501是一种高速比较器，通过对两路信号的包络进行比较，上路信号大于下路信号时输出低电平，上路信号小于下路信号时输出高电平，得到对应的二进制信号。

4  短距离水下通信

实验水池如图11所示，水池对角线放置的是超声波换能器，左下角是发射换能器，右上角是接收換能器，传输距离为2.5 m左右。实验中的换能器采用福州恒丰泰自动化公司生产的指向性压电换能器，型号为DW-200-NA-LJZ，频率为200 kHz±5%，传输距离介于0.6 m～120 m之间，水池尺寸为2 m×3 m。

图12（a）上方是DDS模块输出的2FSK信号，下方是STM32输出的二进制信号。发送数字“1”时，对应频率200 kHz的载波信号，发送数字“0”时，对应频率100 kHz的载波信号。

图12（b）上方是接收端2FSK信号经过带通滤波器后的波形，12（b）下方是发送的二进制信号。图12（c）上方是解调的二进制信号，下方是发送端的二进制信号。

由以上实验结果可以看出，解调得到的二进制信号与发送端二进制信号相比延迟了约1.8 ms，发送换能器与接收换能器的距离是2.5 m，超声波在水下传输的速度是1500 m/s，理论上的延迟是1.6 ms。接收端信号与发送端信号相比除了有些许延迟以外，二者的码元都是一致的，表明该实验系统用于水下短距离数据传输是可行的。

5  结  论

本文利用STM32设计搭建出基于2FSK的水下实验通信系统的平台，在2.5 m左右的水池中完成对二进制数据的发送和接收，接收端信号与发送端信号相比除了有些许延迟以外，二者的码元都是一致的，实验结果较好，可以实现水下正常通信。因此本文设计的基于STM32的水声通信系统可行，并且可以应用于低速率的水下通信。

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作者简介：杨钰莹（1995—），女，汉族，山西临汾人，硕士研究生在读，研究方向：水下信号的处理以及硬件系统平台的搭建;厉夫兵（1982—），男，汉族，山东日照人，副教授，博士后，研究方向：信号与信息处理;孙郑平（1997—），女，汉族，北京人，硕士研究生在读，研究方向：水下图像处理。